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设计分析计算篇 钢结构焊接残余应力有限元分析 田旺生李黎霞杨明旺 (海洋石油工程(青岛)有限公司青岛266520) 摘要：焊接是钢结构之间的主要连接方法，焊接时在焊件上产生的局部不均匀温度场，使焊件产生较高的温度 应力和塑性变形，焊件冷却后将产生残余应力，这对钢结构的施工和使用性能产生较大影响．本文利用ANSYS有限 元软件，对厚板对接多遭焊进行了三维热一固耦合数值模拟，获得了焊接过程温度场、应力场的变化规律．计算时 通过APDL语言编写程序对焊缝单元形心坐标进行比较排序，进而利用ANSYS“单元生死”技术模拟焊接时热源的移 动及焊料的逐步填充，实现了对多道焊过程的模拟。选用顺序耦合法进行分析，即先计算温度场后计算应力场， 将温度场模拟的结果作为应力场分析时的载荷，并且考虑了材料的力学性能随温度而变化。由于焊接涉及到众多 学科，焊接残余应力受较多因素的影响，以及计算的非线性、瞬时作用、温度相关性效应等，所有这些都妨碍我 们正确撼述在各神情况下产生的焊接残余应力，因此本文在焊接过程模拟时做了部分简化。 研究表明本文的计算方法能较好模拟厚板对接多道焊过程，有效预测焊件内的焊接残余应力和变形。结果显示在 焊缝区及其周围存在较大焊接残余应力，变形，据焊缝越近，焊接残余应力越大。该分析为控制焊接残余应力提 供了理论依据，对于钢结构焊接施工具有较好的指导作用，奠定了进一步研究的基础． 关键词：有限元；焊接；残余应力；残余变形 1．引言 件的三维温度、应力场分布情况，研究成果 将为焊接工艺的设计与改善提供参考。 由于焊接连接具有方便施工、刚度大、 本文模拟对象为自由状态下 密封性好、生产效率高等优点，成为现代钢 结构之间的主要连接方式之一。焊接施工过 限元分析软件对其进行建模，分析时选用顺 程中，在焊接热源附近产生局部不均匀温度 序耦合法，即先计算温度场，将温度场模拟 场，高温部分钢材膨胀但受临近钢材约束形 的结果作为应力场分析时的载荷，计算流程 成局部压缩塑性变形区，焊件冷却时焊缝区 如图1。 收缩受阻，焊缝附近局部不均匀的热塑性变 形将在焊件内部产生自相平衡的残余应力。 2．数学模型 由于焊接残余应力一般很大，达到材料的屈 服强度，影响刚结构的承载能力，在进行刚 焊接传热过程属于典型的瞬态热传导问 结构设计时，需考虑焊接残余应力的影响Ⅲ。 题，瞬态温度场的场函数不仅是空间域的函 目前钢结构焊接残余应力大小和分布主 数，而且还是时间域的函数‘2】。基于能量守恒 要基于试验结果，测量方法有机械释放测量 原理的三维瞬态温度场控制方程为： 法和非破坏无损伤测量法。机械释放测量法 胪詈=V(七Vr)+pg(在Q内) 对焊件损失较大，非破坏无损伤测量法成本 较高，均不便于在工程中广泛应用。本文采 (】) 用ansys软件单元生死技术和热固耦合功能进 第一作者：田旺生，男，1983年2月出生，助理工 行板材对接多道焊三维数值模拟，得到了焊 程师，结构工程师。 108 ’2009全国钢结构学术年会论文集[2009·lO] 田旺生，等：钢结构焊接残余应力有限元分析